Устройство без ёмкостей и с замкнутым циклом для непрерывного опреснения

012219 Настоящее изобретение относится к способу и устройству без емкостей для непрерывного последовательного ступенчатого опреснения соленой воды в замкнутом цикле при помощи обратного осмоса. Традиционный обратный осмос (OO) проводят посредством методик гидродинамического "потока вытеснения", в ходе которых находящийся под давлением исходный поток непрерывно разделяют на пермеат и рассол. Отличающийся подход к гидростатическому опреснению в замкнутом цикле был описан в конце восьмидесятых годов в патенте США 4983301 (заявитель - Шуз/Szuz et al.) и в патенте США 4814086 (заявитель - Варт/Bartt), где основное внимание было удалено энергосбережению. В соответствии с методикой опреснения в замкнутом цикле (ОЗК) находящееся под давлением сырье подают рециклом под гидростатическим давлением до необходимого уровня извлечения, затем рассол заменяют свежим раствором и повторяют периодический процесс. Вышеупомянутые патенты предполагают попеременное занятие двух резервуаров в замкнутом цикле с целью осуществления непрерывного опреснения. Принципиальным недостатком этого подхода является необходимость наличия "двух резервуаров относительно большой вместимости". Шуз ссылается на удаление "посторонних материалов при помощи оборудования для мембранного фильтрования" и, следовательно, обращается как к OO, так и к фильтрованию суспендированного материала в форме частиц из растворов и флюидов. Опреснение или фильтрование в замкнутом цикле включает сильный эффект разбавления в ходе рециркуляции, а, следовательно, способствует достижению высокого уровня извлечения при относительно мягких условиях. В недавней патентной заявке WO 2005/016830 предложено устройство для непрерывного ОЗК в одной емкости. В настоящей патентной заявке описаны новые устройство и способ для непрерывного опреснения соленой воды в замкнутом цикле в ходе непрерывного последовательного ступенчатого процесса без использования емкостей. Настоящее изобретение предлагает устройство и способы непрерывного опреснения сырья, состоящего из соленой или солоноватой воды (здесь и далее "сырья"), с использованием замкнутого цикла,где концентрат посредством циркуляционного устройства подают рециклом через параллельные модули,включающие один или более полупроницаемых мембранных элементов для обратного осмоса, устройства для подачи свежего находящегося под давлением сырья в указанный замкнутый цикл для замены образующегося пермеата и клапанного устройства для осуществления вывода рассола из указанного замкнутого цикла при достижении необходимого уровня извлечения без остановки процесса опреснения. Предлагаемые устройство и способ для непрерывного опреснения при помощи последовательного ступенчатого процесса можно применять для работы в условиях переменного течения и потока пермеата при постоянном давлении или постоянного течения и потока пермеата при переменном давлении под действием фиксированного результирующего вытесняющего давления (РВД). РВД - разность между прилагаемым давлением и осмотическим давлением - поддерживают при работе предлагаемого устройства на каждой стадии выше предопределенного минимального значения. Предлагаемые устройство и способ можно осуществить в модульной форме, где централизованно создают давление сырья и подают его одновременно более чем в один модульный элемент. Устройство в модульной форму можно применять в опреснительных установках любой производительности. Предлагаемые устройство и способ могут содержать промышленные узлы и части, которые работают в соответствии с их техническими характеристиками. Предлагаемые устройство и способ отличаются простым и недорогим исполнением с относительно малым числом силовых узлов, уменьшенным числом мембранных элементов и низким удельным потреблением энергии без необходимости в энергетической утилизации отходов. Предлагаемый способ может оказаться особенно привлекательным для высоких уровней извлечения опресненной воды (highdesalination recovery) (около 75-95%) из низкоконцентрированной солоноватой воды, и в этом смысле может обеспечить простой и рентабельный подход к частичному удалению бора из пермеатов, полученных в результате опреснения морской воды при помощи обратного осмоса (OOMB/SWRO) до приемлемого уровня (примерно 0,5 ppm). Краткое описание чертежей Фиг. 1 А - это схема предлагаемого устройства для опреснения в замкнутом цикле с 5 модулями, в каждом из которых есть 3 мембранных элемента (конфигурация М 5 Е 15), в режиме рециркуляции концентрата в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления данного изобретения. Фиг. 1 В - это схема предлагаемого устройства для опреснения в замкнутом цикле с 5 модулями, в каждом из которых есть 3 мембранных элемента (конфигурация М 5 Е 15), в режиме извлечения концентрата в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления данного изобретения. Фиг. 2 А - это схема предлагаемого модульного элемента устройства для опреснения в замкнутом цикле с 5 модулями, в каждом из которых есть 3 мембранных элемента (конфигурация М 5 Е 15), в режиме рециркуляции концентрата в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления данного изобретения. Фиг. 2 В - это схема предлагаемого модульного элемента устройства для опреснения в замкнутом цикле с 5 модулями, в каждом из которых есть 3 мембранных элемента (конфигурация М 5 Е 15), в режиме извлечения концентрата в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления данного изобретения.-1 012219 Фиг. 3 - это схема установки, составленной из 5 модульных элементов предлагаемого устройства,каждый из которых включает 5 модулей и 15 мембранных элементов, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления данного изобретения. Фиг. 4 - это график, отражающий результаты вычисления общей концентрации растворенных солей(ОКС) в ходе ОЗК с высоким уровнем извлечения в соответствии с предпочтительным воплощением данного изобретения. Фиг. 5 - это график, отражающий результаты вычисления концентраций бора в ходе ОЗК с высоким уровнем извлечения в соответствии с предпочтительным воплощением данного изобретения. Фиг. 6 отражает результаты вычисления концентраций магния в ходе ОЗК с высоким уровнем извлечения в соответствии с предпочтительным воплощением данного изобретения. В предпочтительном воплощении предлагаемое устройство для обратного осмоса на фиг. 1 А включает систему опреснения с замкнутым циклом и 5 модулями (M1, М 2, М 3, М 4 и M5), каждый из 3 мембранных элементов, вход (F) для сырья, насос (РР) для создания давления сырья, циркуляционный насос(СР), выход (В) для стока рассола, выход (Р) для пермеата, трехходовой клапан (V3), устройства (СМ(1) и СМ(2 для мониторинга электропроводности раствора и устройства (РМ(1) и РМ(2 для мониторинга давления. На фиг. 1 А трубопроводы для свежего сырья, смешанного либо не смешанного с концентратом, показаны сплошными линиями, трубопровод для удаления рассола показан пунктирной линией, а трубопроводы для сбора пермеата - штриховыми линиями. Направления течения по различным линиям показаны стрелками. Объем замкнутого цикла выводят из объема концентрата, содержащегося в напорных сосудах, известных также как модули, и в трубах, а необходимый объем замкнутого цикла устанавливают посредством соответствующего выбора диаметров труб линий. Отраженная на фиг. 1 А конфигурация - это конфигурация в режиме рециркуляции, который преобладает в течение большей части времени в этом предлагаемом устройстве. Непрерывное последовательное ступенчатое опреснение в предлагаемом устройстве требует периодической замены концентрированного рассола свежим сырьем в замкнутом цикле при необходимом уровне извлечения в системе, и это короткое состояние функционирования показано на фиг. 1 В. Удаление рассола из замкнутого цикла осуществляют путем отведения потока концентрата наружу через трехходовой клапанV3. Контроль над процессом опреснения, в целом, осуществляют посредством "оперативного" мониторинга электропроводности, причем при достижении необходимого уровня извлечения от СМ(1) поступает сигнал, который дезактивирует рециркуляцию в пользу удаления рассола; подобным же образом сигнал от СМ(2) извещает об окончании удаления рассола и вновь активирует режим рециркуляции. Устройства РМ(1) и РМ(2) для мониторинга давления в рассматриваемом предлагаемом устройстве представляют собой средства контроля давления, особенно в режиме удаления рассола (фиг. 1 В), причем минимальных изменений давления в системе достигают путем запуска клапана в ответ на нежелательные"оперативные" вариации давления. Предпочтительное воплощение модульного элемента предлагаемого устройства, показанного на фиг. 2 (А и В), не содержит никаких нагнетательных средств, и при такой конструкции назначение двухходового клапана V2 - сделать возможной изоляцию отдельных модульных элементов для технического обслуживания и/или ремонта без остановки работы остальных элементов набора. По аналогии с фиг. 1 А и фиг. 1 В,отраженные на фиг. 2 А и фиг. 2 В функции - это рециркуляция и удаление рассола, соответственно. Комбинирование 5 модульных элементов предпочтительных воплощений изобретения, отраженных на фиг. 2 (А и В), в опреснительную установку показано на фиг. 3 вместе с устройством для создания давления сырья. По одному и тому же трубопроводу (F) осуществляют централизованную подачу получаемого из РР сырья под давлением в 5 модульных элементов (MU-1, MU-2, MU-3, MU-4 и MU-5), а для сбора пермеата (Р) и удаления рассола (В) используют такие же трубопроводы. В предлагаемом способе предпочтительным режимом функционирования установок, составленных из модульных элементов, является работа в условиях постоянного давления, хотя функционирование при переменном давлении тоже может быть возможным при условии, что каждый из модульных элементов в наборе также снабжен бустерным насосом переменного давления, в результате чего необходимые изменения давления создаются отдельно в каждом модульном элементе. Понятно, что конструкция предпочтительных воплощений предлагаемых устройства и модульных элементов для опреснения, показанная на фиг. 1 (А и В), фиг. 2 (А и В) и фиг. 3, является схематичной и упрощенной и ее не следует рассматривать как ограничение изобретения. На практике элементы и устройство для опреснения в соответствии с изобретением могут включать много дополнительных линий,веток, клапанов и других установок и приборов, как это необходимо в соответствии с конкретными требованиями, пока они остаются в рамках изобретения и формулы изобретения. Все предпочтительные воплощения изобретения, отраженные на фиг. 1-3, показывают основное опреснительное устройство и модульные элементы, изготовленные из 5 модулей (напорных сосудов) с 3 мембранными элементами на модуль; это сделано в целях простоты, ясности, однородности и удобства представления. Понятно, что принципиальная конструкция в соответствии с изобретением не ограничена 5 модулями на модульный элемент и/или устройство и что число мембранных элементов на модуль не ограничено 3. А именно, понятно, что в соответствии с предлагаемым способом предлагаемые устройст-2 012219 во и модульные элементы могут быть составлены из n модулей (М(1), М(2), М(3),М(n. Подобным же образом, понятно, что в соответствии с предлагаемым способом каждый модуль может содержать m мембранных элементов (1 Е, 2 Е, 3 Е,mE). Рамки изобретения не зафиксированы и не ограничены расположением и конструкцией опреснительных установок, которые включают 5 модульных элементов в соответствии с предпочтительным воплощением изобретения, представленным на фиг. 3. Понятно, что в соответствии с предлагаемым способом опреснительные установки могут быть составлены из любого необходимого числа предлагаемых модульных элементов, и такие установки также находятся в рамках данного изобретения. Создающие давление сырья приборы для устройств и установок, изготовленных из модульных элементов в соответствии с предлагаемым способом, могут включать различные насосы постоянного давления с переменным потоком или же насосы переменного давления с постоянным потоком, в зависимости от необходимого режима работы сконструированной системы. Понятно, что приборы для создания давления сырья согласно изобретению могут включать один подходящий насос или же несколько подходящих насосов, которые действуют одновременно и параллельно. Рециркуляцию концентрата по замкнутому циклу устройства и модульных элементов в соответствии с предлагаемым способом осуществляют циркуляционные системы. Понятно, что предлагаемые циркуляционные системы могут включать один подходящий циркуляционный насос или же несколько циркуляционных насосов, которые действуют одновременно параллельно и/или последовательно. Для специалистов в данной области техники очевидно, что рассматриваемый предлагаемый способ опреснения можно осуществлять в модульных элементах и/или немодульном опреснительном устройстве различных конструкций, как уже было пояснено выше в отношении предлагаемого устройства и/или элементов, при условии, что такое устройство и/или элементы включают замкнутый цикл из трубопроводов с одним или более параллельными модулями, каждый с 1 или более мембранными элементами,циркуляционные системы, приборы для создания давления сырья, трубопроводы для сбора пермеата,трубопроводы для удаления рассола, устройства для мониторинга электропроводности, устройства для мониторинга давления. Предлагаемые способ и устройство имеют следующие преимущества: простая конструкция без использования бустерных насосов на каждой стадии и между стадиями; устройство изготовлено только из долговечных промышленных компонентов и деталей; устройство функционирует в пределах характеристик компонентов; способ минимизирует нагнетательные средства; способ минимизирует количество мембранных элементов; способ экономит энергию без необходимости в энергетической утилизации отходов; способ минимизирует функциональные издержки и затраты на техническое обслуживание; способ позволяет получить пермеат с низким содержанием соли; способ подходит для удаления бора из пермеатов, полученных в результате опреснения морской воды при помощи обратного осмоса. Выше изобретение было описано в виде конкретных воплощений, и для специалистов в данной области техники очевидно, что могут быть внесены изменения и модификации без отступления от этого изобретения и его более широких аспектов, следовательно, прилагаемая формула изобретения предназначена для включения всех таких изменений и модификаций в рамки изобретения. Пример Предпочтительное воплощение предлагаемого способа проиллюстрировано на примере высокого уровня извлечения опресненной воды (85-95%) из сырья, состоящего из типичного пермеата, полученного в результате опреснения морской воды при помощи обратного осмоса, где общая концентрации растворенных солей составляет 391 частей на миллион (ppm), содержатся В (1,2 ppm) и Mg (3,4 ppm). Этот пример среди прочего иллюстрирует использование предлагаемого способа для уменьшения уровня бора в пермеатах, полученных в результате опреснения морской воды при помощи обратного осмоса, до исключительного по международным стандартам уровня (0,5 ppm). Проиллюстрированное устройство имеет конструкцию, схематически представленную на фиг. 1 (А и В) с 5 напорными сосудами (модулями) по 20,32 см (8"), каждый из 3 мембранных элементов. Характеристики работы в условиях тестирования (УТ) промышленных элементов с низким потреблением энергии, относящиеся к иллюстрируемому устройству, следующие: производительность - 44 м 3/день; сырье 2000 ppm NaCl; давление - 10,55 кг/см 2 (150 фунтов/дюйм 2); результирующее вытесняющее давление(РВД) - 0,88 МПа (8,8 бар); температура - 25 С; максимальное извлечение в элементе (МОЭ) - 15,0%. Проиллюстрированное устройство работает в условиях изменяющегося давления и при фиксированном РВД (0,88 МПа (8,8 бар в фактическом интервале ступенчатых последовательных давлений 0,91-1,23 МПа(9,1-12,3 бар) для 95% очистки. Ступенчатый последовательный период опреснения для достижения 95% извлечения составляет 6,0 мин, а длительность замены рассола свежим сырьем составляет примерно 19 с. Фиксированное извлечение в модуле при вышеописанных условиях работы составляет 37,8% при среднем потоке в элементе (СПЭ) 36,9 м 3/день, или 83,9% от расчетного потока в элементе при УТ. Объем замкнутого цикла приведенного в примере устройства составляет 122 л, скорость потока в-3 012219 нагнетающем насосе (РР) составляет 23,1 м 3/ч, а скорость потока в циркуляционном насосе (СР) составляет 38,0 м 3/ч. Вычисленная удельная энергия для 95% извлечения для приведенного в примере устройства составляет 0,45 кВтч/м 3, что предполагает коэффициент полезного действия 85% как для РР, так и для СР. Производительность при опреснении в приведенном в примере устройстве составляет 23,1 м 3/ч, или 554 м 3/день, или 202210 м 3/год при скорости извлекаемого соляного раствора 1,2 м 3/ч или 29 м 3/день. Результаты компьютерного моделирования работы приведенного в примере устройства, отраженные на фиг. 4-6, предполагают работу при рН 10 с 99,5% извлечением соли и 93,0% извлечением бора. Работа при рН 10 с большей степенью удаления бора ограничена присутствием Mg, т.к. его соединениеMg(ОН)2 имеет очень малую растворимость (Ksp=1,210-11 при 18 С). На фиг. 4 А показана общая концентрация растворенных солей на входе и выходе из модуля как функция извлечения опресненной воды (максимум, 95%) при рН 10 в рассматриваемом примере, и она иллюстрирует сильный эффект разбавления, создаваемый во время опреснения в замкнутом цикле. Качество получаемых в рассматриваемом примере пермеатов как функция извлечения опресненной воды отражено на фиг. 4 В. На фиг. 5 А показаны концентрации бора на входе в модуль и выходе из него во время иллюстрируемого процесса, а качество пермеатов, получаемых при удалении бора, отражено на фиг. 5 В. Заслуживает внимания, что в проиллюстрированном процессе средние концентрации бора в пермеате составляли 0,22, 0,24, 0,32 и 0,44 ppm при уровнях извлечения опресненной воды 80, 85, 90 и 95%, соответственно, что ниже, чем рекомендованный уровень 0,5 ppm. Концентрации магния на входе в модуль и выходе из него во время иллюстрируемого процесса показаны на фиг. 6 А, а на фиг. 6B отражены выраженные в процентах произведения растворимости [Mg+2] и [ОН-] по отношению к Ksp для Mg(ОН)2, где виден максимум при примерно 24%, что означает, что во время иллюстрируемого процесса не происходит осаждения гидроксида магния. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство без емкостей для непрерывного последовательного ступенчатого опреснения соленой воды в замкнутом цикле при помощи обратного осмоса, которое включает по меньшей мере одну систему с замкнутым циклом, включающую один или более чем один опреснительный модуль, соответствующие входы и выходы которых соединены параллельно трубопроводами,причем каждый из указанных опреснительных модулей включает один или более мембранных элементов; трубопровод для подачи в указанное устройство свежего сырья, состоящего из соленой воды; по меньшей мере одно нагнетательное устройство в указанном трубопроводе для подачи сырья для создания давления указанного свежего сырья, состоящего из соленой воды, в указанном по меньшей мере одном цикле и для создания в указанном по меньшей мере одном замкнутом цикле противодавления,достаточного для осуществления опреснения обратным осмосом и замены образовавшегося пермеата свежим сырьем, состоящим из соленой воды; по меньшей мере одну циркуляционную систему для рециркуляции концентрата, находящегося под давлением, из выходов указанного одного или более опреснительных модулей после смешивания со свежим, находящимся под давлением сырьем, состоящим из соленой воды; по меньшей мере одну систему трубопроводов для сбора пермеата из указанных одного или более опреснительных модулей в указанном по меньшей мере одном замкнутом цикле; по меньшей мере одну систему трубопроводов для вытекающего рассола для удаления концентрата из указанного по меньшей мере одного замкнутого цикла при необходимом уровне извлечения; по меньшей мере одну контролируемую систему клапанов в указанном по меньшей мере одном замкнутом цикле, выполненную для отведения потока концентрата из указанного по меньшей мере одного замкнутого цикла в указанный по меньшей мере один трубопровод для вытекающего рассола без остановки процесса опреснения; средство мониторинга для мониторинга протекания опреснения в указанном по меньшей мере одном замкнутом цикле и систему контроля, связанную с указанным средством мониторинга, для осуществления непрерывного опреснения в замкнутом цикле с необходимым уровнем извлечения последовательными ступенчатыми стадиями в условиях переменного или постоянного давления путем чередования направления потока концентрата с режима рециркуляции концентрата к режиму извлечения концентрата. 2. Устройство по п.1, где переменное давление придают контролируемым образом во время указанного последовательного ступенчатого опреснения в замкнутом цикле, так что разность между придаваемым давлением и осмотическим давлением во время указанного процесса опреснения в замкнутом цикле поддерживают, по существу, постоянной. 3. Устройство по п.1, где постоянное давление придают во время указанного последовательного ступенчатого опреснения в замкнутом цикле, так что разность между придаваемым давлением и максимальным осмотическим давлением во время указанного процесса опреснения поддерживают выше минимального предустановленного уровня.-4 012219 4. Устройство по п.1, где указанные средства мониторинга протекания опреснения используют для мониторинга поступающего потока сырья, состоящего из свежей соленой воды, в указанный замкнутый цикл и/или потока пермеата из указанного замкнутого цикла. 5. Устройство по п.1, где указанная система мониторинга протекания опреснения представляет собой устройство для мониторинга концентрации. 6. Устройство по п.1, где указанные модули включают один или более полупроницаемых мембранных элементов внутри корпуса. 7. Устройство по п.1, где указанные модули скомпонованы в параллельные батареи, причем каждая из указанных параллельных батарей включает несколько модулей. 8. Устройство по любому из предшествующих пунктов, где указанное нагнетательное устройство включает один или более нагнетательных насосов, работающих параллельно или последовательно. 9. Устройство по п.1, где указанная циркуляционная система включает один или более циркуляционных насосов, работающих параллельно или последовательно. 10. Устройство по п.1, где указанная соленая вода выбрана из группы вод, включающей источники питьевой воды, источники минерализованной воды, источники загрязненной воды, источники минерализованной и загрязненной воды, источники очищенных бытовых стоков, источники очищенных промышленных стоков, очищенные стоки из охлаждающих башен установок централизованного кондиционирования воздуха, пермеаты с высоким содержанием бора, полученные в результате опреснения морской воды при помощи обратного осмоса, или источники солоноватой воды с общей минерализацией до 8000 ppm. 11. Устройство по п.1, включающее два или более замкнутых цикла, причем каждый цикл включает один или более чем один опреснительный модуль, соответствующие входы и выходы которых соединены параллельно трубопроводами, и где указанные два или более замкнутых цикла скомбинированы путем совместного использования одних и тех же устройств для нагнетания сырья и трубопроводов для сбора пермеата и вытекающего рассола, обеспечивая тем самым создание интегрированной модульной установки для опреснения в промышленных масштабах. 12. Способ непрерывного последовательного ступенчатого опреснения соленой воды в замкнутом цикле путем обратного осмоса с использованием по меньшей мере одного замкнутого цикла, включающего один или более чем один опреснительный модуль, соответствующие входы и выходы которых соединены параллельно трубопроводами, где указанный замкнутый цикл не содержит емкостей, при этом способ включает непрерывную подачу находящегося под давлением свежего сырья, состоящего из соленой воды, в указанный по меньшей мере один замкнутый цикл при давлении, достаточном для осуществления опреснения обратным осмосом на указанных мембранных элементах и замены в указанном по меньшей мере одном замкнутом цикле образовавшегося пермеата свежим сырьем, состоящим из соленой воды; рециркуляцию концентрата, находящегося под давлением, от выходов указанных опреснительных модулей к входам после смешивания со свежим, находящимся под давлением сырьем, состоящим из соленой воды, посредством по меньшей мере одной циркуляционной системы; мониторинг протекания опреснения в указанном по меньшей мере одном замкнутом цикле; отведение потока находящегося под давлением концентрата из указанного по меньшей мере одного замкнутого цикла после регистрации необходимого уровня извлечения опресненных вод в указанном замкнутом цикле до полной замены концентрата свежим сырьем, состоящим из соленой воды, и переключение после регистрации полной замены концентрата свежим сырьем, состоящим из соленой воды, потока концентрата обратно на режим рециркуляции, при котором находящийся под давлением концентрат рециркулирует от выходов опреснительных модулей к входам и образовавшийся пермеат заменяют свежим сырьем, состоящим из соленой воды; при этом большую часть времени процесса опреснения осуществляют в режиме рециркуляции концентрата, при котором только образующийся пермеат заменяют свежим сырьем, состоящим из соленой воды, а находящийся под давлением концентрат рециркулирует по замкнутому циклу с короткими периодами режима удаления концентрата, при котором находящийся под давлением концентрат заменяют находящимся под давлением свежим сырьем, состоящим из соленой воды. 13. Способ по п.12, где режим рециркуляции концентрата осуществляют при постоянном потоке пермеата при переменном давлении. 14. Способ по п.12, где режим рециркуляции концентрата осуществляют при переменном потоке пермеата при постоянном давлении. 15. Способ по п.12, где указанная соленая вода выбрана из группы вод, включающей источники питьевой воды, источники минерализованной воды, источники загрязненной воды, источники минерализованной и загрязненной воды, источники очищенных бытовых стоков, источники очищенных промышленных стоков, очищенные стоки из охлаждающих башен установок централизованного кондиционирования воздуха, пермеаты с высоким содержанием бора, полученные в результате опреснения морской воды при помощи обратного осмоса, или источники солоноватой воды с общей минерализацией до 8000 ppm.